Bilanci di materia e di energia: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 8 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Bilancio di massa

Regime stazionario
entrata = uscita
Bilancio totale
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Bilancio per componente
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporatore
F·xF = P·xP, W = F − P

Bilancio energetico

Calore sensibile
Q = ṁ·cp·ΔT
Calore latente
Q = ṁ·hfg
Miscelazione
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Acqua
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Legge dei gas ideali

Legge dei gas ideali
pV = nRT
Costante dei gas
R = 8,314 J/(mol·K)
Legge combinata dei gas
p1V1/T1 = p2V2/T2
Moli
n = m/M
Temperatura
T[K] = T[°C] + 273,15

Stechiometria

Moli
n = m/M
Concentrazione
c = n/V
Rapporto molare
usa i coefficienti dell’equazione bilanciata
Reagente limitante
quello che si esaurisce per primo
Resa percentuale
effettiva / teorica × 100%

Metodo

  1. Scrivi e bilancia l’equazione chimica.
  2. Converti la massa data in moli: n = m/M.
  3. Usa i coefficienti come rapporto molare per trovare le moli della sostanza che ti interessa.
  4. Riconverti in massa con m = n·M. Con due reagenti, trova prima il reagente limitante.

2Esercizi

1.Bilancio di massaMedia
MiscelatoreCorrente 1900 kg/h · 35% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 5% NaOHProdotto25% NaOH

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 25% di NaOH? Trova ṁ2.

ṁ1 = 900 kg/hx1 = 35 %x2 = 5 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F3800 kg/h · 18% NaOHProdotto PP = ? · 50%Vapore W (acqua pura)0% NaOH

Un evaporatore concentra una soluzione di NaOH facendo evaporare acqua pura. Trova la portata di prodotto P in kg/h.

F = 3800 kg/hxF = 18 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoolio leggero · 160 °C120 °Cacqua · 30 °Ct = ? °C

Il olio leggero caldo raffredda acqua in uno scambiatore controcorrente senza perdite di calore. Trova la temperatura di uscita dell’acqua tout.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 120 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoolio leggero · 160 °C70 °Cacqua · 20 °C50 °C · ṁ = ?10% perso

Il olio leggero caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 10% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁc necessaria.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 70 °Ct: 20 → 50 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 10 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
130 g di O₂V = 20 LT = 20 °CP = ?

Un serbatoio di 20 L contiene 130 g di O₂ a 20 °C. Trattalo come gas ideale e trova la pressione P.

m = 130 gM = 32 g/molV = 20 LT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di CH₄ passa da 400 kPa, 2 L, 40 °C a 150 kPa e 150 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 400 kPaV1 = 2 LT1 = 40 °CP2 = 150 kPaT2 = 150 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

24 g di N2 e 48 g di H2 reagiscono secondo N2 + 3H2 → 2NH3. Quale massa m di NH3 si può formare?

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(CO2​)

Nella reazione C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2, 16 g di C6H12O6 reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 4,85 g di CO2. Trova la resa percentuale Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreale: 4,85 g
Y = %

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 450 kg/h

Bilancio di massa stazionario: entrata = uscita per il totale e per ogni componente. I problemi di miscelazione combinano entrambi.

Bilanci

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 900·(35 − 25)/(25 − 5) = 450 kg/h

Risposta

ṁ2 = 450 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 1368 kg/h

Componente chiave: un componente che passa invariato in una sola corrente (qui il soluto) collega direttamente le portate. Poi il bilancio totale dà il resto.

Bilancio del soluto

F·xF = P·xP → P = 3800·18/50 = 1368 kg/h

Risposta

P = 1368 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 35,02 °C

Bilancio energetico dello scambiatore: senza perdite, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 0,5·2,1·(160 − 120) = 42 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 42/(2·4,18) = 35,02 °C

Risposta

tout = 35,02 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 2,035 kg/s

Bilancio energetico con perdite: calore ceduto = calore assorbito + calore perso.

Calore ceduto

Qh = 1,5·2,1·(160 − 70) = 283,5 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,1)·283,5 = 255,2 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 255,2/(4,18·30) = 2,035 kg/s

Risposta

ṁc = 2,035 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: P = 495,1 kPa

Legge dei gas ideali: PV = nRT, con n = m/M.

Moli

n = m/M = 130/32 = 4,063 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Pressione

P = nRT/V = 4,063·8,314·293,1/0,02 = 495,1 kPa

Risposta

P = 495,1 kPa
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 7,207 L

Legge combinata dei gas: per una quantità fissa di gas ideale, P1V1/T1 = P2V2/T2.

Temperature assolute

T1 = 313,1 K, T2 = 423,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(400/150)·(423,1/313,1) = 7,207 L

Risposta

V2 = 7,207 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 29,17 g

Stechiometria: un'equazione bilanciata conta particelle, non grammi. Converti la massa in moli con n = m/M, usa i coefficienti dell'equazione come rapporto molare, poi torna alla massa con m = n·M. Con due reagenti, il reagente limitante è quello che si esaurisce per primo e fissa quanto prodotto si forma.

Moli di ogni reagente

n(N2) = 24/28,02 = 0,8565 mol
n(H2) = 48/2,016 = 23,81 mol

Reagente limitante

0,8565/1 = 0,8565, 23,81/3 = 7,937 → N2

Massa di prodotto

n(NH3) = 0,8565·2 = 1,713 mol
m = 1,713·17,03 = 29,17 g

Risposta

m = 29,17 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 62,04 %

Stechiometria: un'equazione bilanciata conta particelle, non grammi. Converti la massa in moli con n = m/M, usa i coefficienti dell'equazione come rapporto molare, poi torna alla massa con m = n·M. Con due reagenti, il reagente limitante è quello che si esaurisce per primo e fissa quanto prodotto si forma.

Resa teorica

n(C6H12O6) = 16/180,16 = 0,08881 mol
m = 0,08881·2/1·44,01 = 7,817 g

Resa percentuale

Y = 4,85/7,817·100 = 62,04%

Risposta

Y = 62,04%

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